研究人员在理解猫的进化方面取得了重大进展，揭示了与其他哺乳动物相比，猫基因组稳定和简单背后的遗传原因。他们的研究强调了特定DNA区域在物种分化和猫科动物嗅觉基因变异中的重要性，为保护和科学理解猫科动物生物学提供了有价值的见解。

　　德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院(VMBS)的研究人员与一个多学科合作团队一起，在猫的进化史上取得了重大发现。他们的发现揭示了各种猫科动物(包括狮子、老虎和家猫)分化的发育途径。此外，这项研究阐明了猫的基因变异与重要生存技能之间的联系，比如它们探测猎物的高度嗅觉。

　　该项目最近发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上，通过比较几种猫的基因组，该项目帮助研究人员理解了为什么猫的基因组往往比其他哺乳动物(如灵长类动物)具有更少的复杂遗传变异(如DNA片段的重排)。它还揭示了猫DNA的哪些部分最有可能快速进化，以及它们如何在物种分化中发挥作用的新见解。

　　“我们的目标是更好地了解猫是如何进化的，以及猫物种之间特征差异的遗传基础，”专门研究猫进化的VMBS兽医综合生物科学教授比尔·墨菲(Bill Murphy)博士说。“我们想利用一些新技术，使我们能够创建更完整的猫基因组图谱。

　　他说:“我们的发现将为人们研究猫科动物的疾病、行为和保护打开大门。”“他们将更全面地了解使每种猫独一无二的基因差异。”

　　主题变奏曲

　　科学家们试图更好地理解的一件事是，为什么猫的染色体——包含皮毛颜色、大小和感觉能力等特征遗传信息的细胞结构——比其他哺乳动物群体更稳定。

　　墨菲说:“我们现在已经知道，不同物种的猫染色体彼此非常相似。”“例如，狮子和家猫的染色体几乎没有什么不同。与类人猿中常见的复制、重排和其他类型的变异相比，它们似乎少得多。”

　　在灵长类动物中，这种基因变异导致了不同物种的进化，包括人类和类人猿。

　　“类人猿的基因组倾向于断裂和重新排列，甚至人类的基因组也有非常不稳定的区域，”墨菲说。“这些变异可能使某些人容易患上遗传疾病，比如自闭症和其他神经系统疾病。”

　　墨菲发现，猫和猿之间这种差异的关键似乎是一种被称为片段复制的东西的频率——DNA片段与基因组中其他地方发现的DNA片段高度相似。

　　图中描述了三人组合如何从F1杂交中产生亲本物种基因组，左边是进化时间标度。来源:德克萨斯农工大学威廉·墨菲博士及其同事

　　“灵长类基因组研究人员已经能够将这些片段复制与染色体重排联系起来，”他说。DNA中的片段复制越多，染色体重排的可能性就越大，等等。

　　“通过比较大量猫科动物的基因组，我们发现，猫科动物只有其他哺乳动物中部分重复的一小部分——灵长类动物的重复数量实际上是猫科动物的7倍。这是一个很大的不同，现在我们相信我们理解了为什么猫的基因组更稳定，”他说。

　　(双螺旋)中的一根针

　　虽然猫的DNA中可能没有那么多大的基因重排，但它们仍然有很多差异。通过他们的研究，墨菲和他的同事们现在更好地了解了猫DNA的哪些部分导致了这些变异，特别是定义物种形成或物种之间差异的变异。

　　墨菲说:“事实证明，在X染色体的中心有一个很大的区域，大多数基因重排都发生在那里。”“事实上，有证据告诉我们，在这个地区有一个叫做DXZ4的特定重复元素，它在很大程度上导致了至少两种猫科动物——家猫和丛林猫——的基因隔离。”

　　DXZ4是墨菲所说的卫星重复序列——它不是一个典型的基因，编码像皮毛颜色这样的物理特征，但是，更确切地说，它有助于X染色体的三维结构，可能在猫的物种形成中发挥了重要作用。

　　“我们仍然不知道确切的机制，但通过比较所有这些猫的基因组，我们可以更好地测量DXZ4在一个物种中与所有其他物种相比的进化速度。我们了解到DXZ4是猫基因组中进化最快的部分之一;它的进化速度比其余99.5%的基因组都快，”他解释说。

　　墨菲说:“由于它的突变速度，我们能够证明为什么DXZ4可能与物种形成有关。”

　　嗅出难以捉摸的基因

　　利用新的、非常详细的基因组序列，研究小组还发现了嗅觉基因的数量与社会行为的变化以及它们与周围环境的关系之间更清晰的联系。嗅觉基因控制着猫的气味探测。

　　他说:“因为猫是严重依赖嗅觉来探测猎物的捕食者，所以它们的嗅觉对它们来说是相当重要的一部分。”“猫是一个非常多样化的家庭，我们一直想了解基因变异是如何影响不同猫科动物在不同环境中的嗅觉能力的。

　　墨菲说:“狮子和老虎在检测信息素的某些气味基因上有很大的差异，信息素是不同动物释放到环境中的化学物质，用来传递身份、领土或危险的信息。”

　　“我们认为最大的区别在于狮子是非常群居的动物，生活在家庭群体中，而老虎则过着独居的生活方式。狮子对信息素和其他气味的依赖可能会减少，因为它们经常和其他狮子在一起，这反映在它们基因组中这种类型的基因较少。”他说。

　　另一方面，老虎需要能够在很大的范围内嗅到猎物并找到配偶。

　　“一般来说，老虎有很大的嗅觉和信息素受体，”墨菲说。“我们认为这与它们领地的大小和生活环境的多样性直接相关。”

　　另一方面，家猫似乎失去了大量的嗅觉基因。

　　他说:“如果它们不需要长途跋涉去寻找它们所需要的东西，因为它们与人类生活在一起，那么自然选择不会保留这些基因就说得通了。”

　　墨菲分享说，他在这个项目中最喜欢的例子是渔猫的气味受体，这是一种生活在东南亚的水生野猫。

　　他说:“我们能够证明，捕鱼猫保留了许多检测水中气味的基因，这在陆生脊椎动物中是相当罕见的特征。”“随着时间的推移，所有其他猫科动物都失去了这些特定的基因，但捕鱼猫仍然拥有它们。”

　　这一关于猫嗅觉基因的新信息是通过一种新的基因组测序方法实现的，这种方法被称为三重奏组合，它允许研究人员对基因组中最困难的区域进行测序。

　　这项新技术也使分离母亲和父亲的DNA变得更加容易。

　　墨菲说:“有了三胞胎，你现在可以从F1杂交动物(一种DNA在不同物种的父母中各占一半的动物)身上提取DNA，并将母体和父亲的DNA彻底分离，得到两套完整的DNA，每个亲本物种各有一套。”“这个过程要简单得多，结果也更完整。”

　　填补空白

　　该项目最重要的结论之一是，猫的种类可能在许多方面相似，但它们的差异很重要。

　　墨菲说:“这些差异向我们展示了这些动物是如何完美地适应它们的自然环境的。”“它们是不可互换的，这对保护主义者和其他致力于保护或恢复自然栖息地物种的人来说是有价值的信息。

　　“例如，你不能假设苏门答腊岛和西伯利亚的老虎是一样的，”他说。“它们的环境截然不同，这些老虎种群可能已经发展出专门的基因适应，以帮助它们在这些截然不同的地方生存。”

　　同样重要的是，科学家们要认识到，最难组装的基因组部分可能正是理解免疫和生殖等关键身体系统的关键。

　　“嗅觉基因并不是唯一一个对测序和研究具有挑战性的基因。科学家们也一直在努力对免疫和生殖基因进行测序，所以以前的研究缺少这类信息。想象一下，在没有所有片段的情况下，试图研究猫、人类或任何物种的遗传状况;这就是为什么组装完整的基因组很重要，”墨菲说。

　　目前，墨菲和他的团队将继续将最先进的基因组测序和组装技术应用于猫的基因组，以便尽可能多地填充关于猫的世界的信息。

　　参考文献:“单单倍型比较基因组学提供了猫进化过程中谱系特定结构变异的见解”，作者:Kevin R. Bredemeyer, LaDeana Hillier, Andrew J. Harris, Graham M. Hughes, Nicole M. Foley, Colleen Lawless, Rachel A. Carroll, Jessica M. stower, Mark A. Batzer, Edward S. Rice, Brian W. Davis, Terje Raudsepp, Stephen J. O'Brien, Leslie A. Lyons, Wesley C. Warren和William J. Murphy, 2023年11月2日，Nature Genetics。DOI: 10.1038 / s41588 - 023 - 01548 - y

　　这项研究由莫里斯动物基金会、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和美国国家普通医学科学研究所资助。

　　这项研究是由德克萨斯州农工大学兽医综合生物科学的VMBS教授比尔·墨菲和密苏里大学邦德生命科学中心的基因组学教授韦斯·沃伦提出的。其他合作包括来自华盛顿大学、都柏林大学、西雅图系统生物学研究所、路易斯安那州立大学和盖伊·哈维海洋中心的研究人员。

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